JP4210331B2 - 鋼材を切削工具ホルダに使用する方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、特殊な組成を有する鋼材を切削工具ホルダ用の材料として使用することに関する。
発明の背景
切削工具ホルダは、その上又はその中に、機械加工操作の間において作動可能なバイトが取り付けられる基体である。カッター基体及びドリル基体が典型的な切削工具ホルダであり、これに種々の作動可能な加工用カーバイド要素が設けられる。このような切削工具ホルダにおける材料は通常、この技術分野においてホルダ用鋼材と呼ばれている鋼材である。これらホルダ用鋼材には多くの要求条件があげられる。
○ カッター用及びドリル用基体のような切削工具ホルダはしばしば複雑な形状を有し、そして殆どのツールホルダ基体の機械加工はその鋼材を軟質焼鈍した条件においてなされる。にもかかわらずその材料はその硬化操作の間に重大な寸法変化を生ずることなく空気硬化できる必要がある。
○ 若干の切削工具ホルダは靱性硬化（tough-harden）されているが、カーバイド製バイトが取り付けられる表面は誘導硬化される。従ってその材料は誘導硬化させることが可能でなければならない。
○ 切削による機械加工の加工率は常に増大し、そのためにその切削工具は非常に熱くなる。従ってその材料は良好な高温硬度を持つ必要がある。
○ 鑞付けによって取り付けられたカーバイドチップを用いる或る種のドリル基体のような若干の切削工具ホルダは硬化操作に続いてＰＶＤで被覆されてボーリングの切削によりそのドリル基材の中のドリル用螺旋が摩滅してしまわないようにしている。従ってその材料は重大な硬度の低下なくＰＶＤで被覆できる必要がある。
○ カッター基材のような若干の型の切削工具はその使用時に高い脈動的負荷にさらされる。従ってその材料は良好な靱性や疲れ強さを含めて良好な機械的諸特性を有していなければならない。
○ 多くの型の切削工具は非常に複雑な形状を有している。しばしば、小さなねじ付き穴や長くて狭い穿孔が現れる。従ってその材料は、特に高速度鋼工具を使用する場合、良好な機械加工性を有していなければならない。
切削工具ホルダにはその材料として低合金及び中程度合金の工具鋼が用いられる。多数の典型的ホルダ用鋼材が下表にあげられている。この表に重量％であげた元素のほかにはこの鋼材は、鉄と、及び不純物や付随的元素だけを含む。公知のどのホルダ用鋼も上に特定した要求を完全に満足には満たしていない。

発明の開示
本発明は、従来技術の鋼材よりもより満足に上記の諸要求条件を満たす切削工具ホルダ用の材料として使用されるような或る合金鋼を示唆している。この鋼材の組成は添付の請求の範囲にあげられている。本発明はまたこの鋼材より作られた切削工具ホルダにも関する。
以下に、個々の元素の重要性及びそれらの相互作用を説明する。鋼材の化学組成についての全ての％の値は重量％である。
炭素は、その鋼材が所望の硬度と強度とを得るために、その鋼材の中に少なくとも０．３％、好ましくは少なくとも０．３５％、適切には少なくとも０．３７％の量で存在するべきである。この炭素含有量は０．５％を超えず、好ましくは０．４５％を超えず、そして好適には０．４１％を超えてはならない。より高い炭素含有量においてはこの鋼材は余りに硬くかつ脆くなることがある。典型的にはこの鋼材は０．３９％のＣを含む。
珪素は痕跡から最高で１．５％までの量で含まれるが、好ましくはこの鋼材は少なくとも０．４０％のＳｉを含むべきである。珪素はこの鋼材の中で溶解された状態で含まれているが、珪素・カルシウム酸化物として存在することもでき、これは変化において好ましくは硫黄により修飾されることができ、これが硫化物の形で上記酸化物を被覆し、そしてこれを本質的に可塑性化し、その際上記挟雑物はその鋼材が機械加工されるときに潤滑材膜として機能することができる。好ましくはこの鋼材は１．２％よりも多いＳｉを含むべきではない。好ましい範囲は０．７−０．９％のＳｉ、又は０．６−０．８％のＳｉである。典型的（公称の）Ｓｉ含有量は０．７％である。
マンガンは、この鋼材が比較的高い量の硫黄を含んでいるときにこの鋼材の焼戻し抵抗を改善するため、そしてこの鋼材のレド脆性（redbrittleness）を硫化マンガンの形成によって防止するために少なくとも０．２％の量で存在しているべきである。しかしながらこの鋼材は１．５％よりも多いマンガンを含むべきではなく、好ましくは最高で１．０％のＭｎである。特に好ましい範囲は０．３−０．５％のＭｎである。最適のマンガン含有量は０．４％である。
硫黄はこの鋼材に適当な機械加工性を与えるために少なくとも０．０１％の量で存在するべきである。この鋼材は最高で０．２％より多いＳを含むべまではない。もし硫黄の含有量がより高いと、対応的に高いマンガン含有量によって完全に相殺できないようなレド脆性の危険が存在する。好ましくはこの鋼材は最高で０．０５％よりも多い硫黄を含むべきではない。好ましい硫黄含有量は０．０１−０．０３％のＳの範囲である。典型的（公称の）硫黄含有量は０．０２％である。
クロムは、その鋼材に良好な硬化可能性を与えるためにこの鋼材の中に４％と７％との間の量で存在するべきである。好ましい範囲は４．５−５．５％のＣｒで、典型的には５．０％のＣｒである。
ニッケルはこの鋼材においては重要な元素ではないが、１％まで、好ましくは最高で０．５％の量で存在することができる。
モリブデンは、この鋼材の硬化可能性を改善し、そしてその焼戻し抵抗、また従って高温硬度をも改善し、従って少なくとも０．５％の量、最高で２．０％の量で存在するべきである。好ましい範囲は１．２％のＭｏ、好ましくは１．２−１．６％のＭｏである。典型的にはこの鋼は１．４％のＭｏを含む。原理的にはモリブデンはその全量又は１部が倍量のタングステンで置き換えられていてもよい。しかしながらタングステンは高価な合金元素であり、そしてこれは回収廃スクラップの取扱いをも複雑にする。従って不純物として認められる量よりも多い量でのタングステンは避けるべきである。
コバルトはタングステンと同じ理由からこの鋼材の中には存在するべきでないが、最高で１．０％、好ましくは最高で０．０５％までの量は許容できる。
バナジウムはその鋼の焼戻し抵抗及び摩耗抵抗に対して好ましく、そしてこの鋼の中に少なくとも０．２％の量で存在するべきであるが、１．５％を超えるべきではない。好ましくはバナジウム含有量は０．６−１．３％の間、好ましくは０．８−１．１％の間であり、典型的にはバナジウムの含有量は０．９５％である。
また、この鋼材は前に述べたように、硫黄によって修飾される酸化カルシウムを形成させるために酸素及びカルシウムを機能的量で、より特別には酸素５０−１００ｐｐｍ及びカルシウム５−７５ｐｐｍをも含むことができる。
ニオブは１次カルボニトリドを形成し、これは溶解が困難なので０．５％以上の量で存在するべきでない。好ましくはニオブは不純物水準を超える量で存在するべきではない。チタン、ジルコニウム、アルミニウム及び他の強いカーバイド形成材及び／又は窒化物形成材も望ましくない不純物であり、従って不純物水準以上の量で存在するべきではない。
セリウム。ランタンその他の稀土類金属はその鋼材が等方性的特性、最適の機械加工性、良好な機械的諸性質及び良好な熱間加工性を得るためにこの鋼材に添加することができる。稀土類金属の合計量は最高で０．４％、好ましくは０．２％であることができる。
公称の（典型的な）組成は、下記の仕様を有する：０．３７−０．４１のＣ、０．４０−１．２０のＳｉ、０．３０−０．５０のＭｎ、最高で０．０２５のＰ、０．０１０−０．０３０のＳ、５．００−５．３０のＣｒ、最高で０．２５のＮｉ、１．２５−１．５０のＭｏ、最高で０．２０のＷ、最高で０．２０のＣｏ、０．９０−１．００のＶ、最高で０．００５のＴｉ、最高で０．０３０のＮｂ、最高で０．２５のＣｕ、最高で０．０２０のＡｌ、５−５０ppmのＣａ、６０−９０ppmのＯ及び残量の鉄。
この鋼材を８６０℃と１１００℃との間、好ましく９６０℃と１０５０℃との間のオーステナイト化温度から硬化させ、その際その硬化温度を所望の硬度に応じて上記範囲の中で選んだ。その鋼材を焼戻しに先立って、９６０−１０５０℃の範囲のうちの低い部分の中、より特別には９６０℃の温度又はこの温度よりも僅かに上方の温度から硬化させたときには４８ＨＲＣの硬度に達することができるが、一方、その鋼材を９６０−１０５０℃の範囲の上方の部分の中、すなわち１０５０℃の温度又はその近くの温度から硬化させたときは５４ＨＲＣの硬度に達することができる。焼戻しは、１８０−２５０℃の温度からの低温焼戻しとして行なっても、又は良好な靱性と組み合わせて高い硬度を与えるために５５０−６００℃の間の温度からの高温焼戻しとして行なってもよい。図面は本発明に従う鋼材について９６０℃と１０２５℃との間の種々異なった温度から硬化させた後の典型的焼戻し曲線を示す。
以下に本発明を、実施した実験を参照してより詳細に説明する。
実施された実験
第１表に従う組成を有する鋼鉄溶湯を多数作った。これら組成物の各元素の、あげられている含有量は、作ったインゴットの中の異なった部分において測定したいくつかの測定値の平均である。第１表の中に照合材料ＳＳ２２４２の組成も含まれている。この照合材料の各含有量は公称含有量である。燐、硫黄、アルミニウム、窒素、カルシウム及び酸素の含有量は言及されていない。全ての材料について残量は鉄及び不純物であるが、これらはこの表にあげてある不純物又は付随元素に加えて通常の量で存在することのできる不純物である。
第１表において、軟焼鈍した状態の材料について実施した機械加工可能性試験より得られた結果も示してある。あげた各値は、ドリルを、これが摩滅してしまう前に１，０００ｍｍの合計長さに達してしまうように回転させた場合の、ドリルの周縁速度（平均値）である。３０ｍ／ｍｍの穿孔速度においてドリルが摩滅してしまう前に穿孔可能な穿孔の数もこの表にあげられている。

Claims (16)

1. 重量％で下記、すなわち：
   ０．３−０．５のＣ、
   ０．４−１．５のＳｉ、
   ０．２−１．５のＭｎ、
   最高で０．０３までのＰ、
   ０．０１−０．０３のＳ、
   ４−７のＣｒ、
   ０．５−２．０のＭｏ、
   ０．２−１．５のＶ、
   を含み、さらに、
   ５−９０ｐｐｍのＣａ、および、１５−１０９ｐｐｍの酸素、ならびに、
   鉄及び不純物よりなる残量
   を含む鋼材を切削工具ホルダ用の材料として使用する方法。
2. 鋼材が最高で０．０２５までのＰを含む、請求項１に従う使用方法。
3. 鋼材が０．３５−０．４５のＣを含む、請求項１に従う使用方法。
4. 鋼材が０．３７−０．４１のＣを含む、請求項３に従う使用方法。
5. 鋼材が０．４−１．２のＳｉを含む、請求項１に従う使用方法。
6. 鋼材が０．７−０．９のＳｉを含む、請求項５に従う使用方法。
7. 鋼材が０．６−０．８のＳｉを含む、請求項５に従う使用方法。
8. 鋼材が０．２−１．０のＭｎを含む、請求項１に従う使用方法。
9. 鋼材が０．３−０．５のＭｎを含む、請求項８に従う使用方法。
10. 鋼材が４．５−５．５のＣｒを含む、請求項１に従う使用方法。
11. 鋼材が１−２のＭｏを含む、請求項１に従う使用方法。
12. 鋼材が１．２−１．６のＭｏを含む、請求項１１に従う使用方法。
13. 鋼材が０．６−１．３のＶを含む、請求項１に従う使用方法。
14. 鋼材が０．８−１．１のＶを含む、請求項１３に従う使用方法。
15. 鋼材が５０−１００ｐｐｍの酸素及び５−７５ｐｐｍのＣａを含む、請求項１に従う使用方法。
16. 先行の各請求項のいずれかに従う組成を有する鋼材よりなる、切削工具ホルダ。

Images